名称について

• このアンプの正しい名称は「電力アンプ」です。
• しかしこれではパワーアンプ＝電力アンプで従来との違いがわかりません。
• この「電力アンプ」は負荷の変動によらず、入力電圧に比例した電力を出力します。
• 当たり前といえば当たり前ですが、その当たり前のことが今までできていなかったのです。
• その当たり前のことを実現したパワーアンプです。

コラム：現時点で電圧帰還、電流帰還の定義、解釈は曖昧

• どうも混乱の元は「電圧帰還」、「電流帰還」の正確な定義がないためのようです。
• ※日本語では帰還、英語ではフィードバックです。
• 出力を監視し入力を調整して安定を図るのがフィードバック制御の基本です。
• 最近(1990年以降)、世の中に登場した、「電流帰還型オペアンプ」に注目が集まってしまい、これだけを意味するという印象が強いようです。
• 確かに「狭義の意味」では正しいです。電流帰還型オペアンプの存在しなかったディスクリード時代の電流帰還型アンプもその意味では正しいです。
• しかし「広義の意味」では電圧をフィードバックする回路、電流をフィードバックする回路も含まれます。
• たとえば、トランジスタの電流帰還バイアス(エミッタ接地バイアスの一種)は電流のフィードバック制御によって安定を保つ回路です。
• 定電圧回路は出力電圧をフィードバック制御するので動作原理は電圧帰還です。定電圧回路の応用例が電圧増幅器です。
• 定電流回路は出力電流をフィードバック制御するので動作原理は電流帰還です。定電流回路の応用例が電流増幅器です。
• 電流帰還型オペアンプの仕組みはプラス入力が信号入力、マイナス入力がフィードバック用で電流をセンシングし、後段で電流電圧変換して出力します。
• 従来の電圧帰還型オペアンプの置き換えができるように考慮されているため、少し風変わりな電流帰還です。もちろん反転増幅ができないなど制約もあります。
• 単純に言えば、電流帰還型(オペ)アンプに電流増幅器が組み込まれています。
• これらの言葉にこだわる理由はないので、現時点においてはできるだけ使用を控えることにします。

• 電圧増幅ではなく電流増幅を用いると周波数特性が改善されます。
• 直感的にはトランジスタが電流増幅素子だからです。もともとトランジスタは電流の扱いを得意とします。
• トランジスタの重要指標に電流増幅率hFEがあります。入力電流に対して出力電流が何倍かという指標です。

常識と先入観

• パワーアンプとは電力増幅器であって、電圧増幅器(ボルテージアンプ)ではありません。
• 当たり前ですよね。
• では皆さんお持ちのパワーアンプ、本当に電力増幅器ですか？これは自分への問いかけでもありました。
• 一度、先入観を捨ててみましょう。真実が見えてきます。
• 皆さん、鎌倉幕府の成立、何年でしょうか。「役不足」「気が置けない」「情けは人のためならず」「確信犯」「潮時」「煮詰まる」ってどういう意味でしょうか。
• そんなの知ってるよといわず、先入観を捨てて調べてみましょう。驚くはずです。
• ※鎌倉幕府の成立は1192年ではありません。
• ※役不足とは実力にくらべて、役目が重いことではありません。「力不足」と勘違いしています。
• ※情けは人のためならず、だから情けは無用ではありません。逆です。
• ※確信犯とは悪いとわかっていて行うことではありません。
• ※潮時とは終わりを意味することではありません。「引き際」と勘違いしています。
• ※煮詰まるとは結論の出ない状態ではありません。逆です。「行き詰まる」と勘違いしています。

はじめに

• ヘッドホン用の電力アンプです。
• 基礎知識としてオーディオ入門(pdf)を用意しました。
• 電力アンプのメリットはこちらをご覧ください。
• 電力アンプはインピーダンス変化を吸収し、音を忠実に再現します。
• スピーカーのインピーダンスが周波数によって変動しなければ、電力アンプは必要ありません。
• しかし実際には変動します。
• スピーカーのインピーダンスは低音と高音で高くなります。
• 音量は電力に比例します。電圧ではありません。
• スピーカーの動作原理はモーターと同じです。
• 加える電力に比例して仕事をします。
• つまり、電力で音量が決まります。

外見
シャーシ内部

著作権と免責事項

• 個人利用に限定され、著作権者の許可なく商用利用できません。
• 直接間接に関わらず、使用によって生じたいかなる損害も筆者は責任を負いません。
• 仕様は予告なく変更されることがあります。

発想の転換

• 子供のころからたくさんのアンプを作ってきました。
• たくさんのアンプの専門書を読み漁ってきました。
• しかしどれも電圧増幅器であって電力増幅器ではありませんでした。
• 実際に特性を測定してみると、負荷の影響を受けて電力増幅していません。
• スピーカーへいかに電圧を伝えるかであって、いかに電力を伝えるかに注目した専門書はありませんでした。
• 代表的なスピーカーの公称インピーダンスは８Ωであり、出力バッファーはアンプの内部抵抗をいかに下げるかにしか注目していません。
• 今風に言えばいかにダンピングファクタを上げるかです。
• これはインピーダンス変換(あるいはインピーダンス・マッチング)ともいえ、真空管時代の出力トランスと発想としてはなんら代わるものではありません。
• スピーカーのインピーダンスは固定を前提としてアンプが設計されてきました。
• しかし、現実のスピーカーのインピーダンスは何倍も変動します。
• インピーダンス変動の影響をうけ、低音と高音が再現できないばかりでなく、音色も再現できません。
• 前提を誤れば結果も誤ります。当然のことです。
• スピーカーの音量は電力に比例します。これは音も電力もエネルギーだからです。
• 簡単にいえばスピーカーはエネルギー変換装置です。
• 入力する電力を間違えば、出力する音も間違います。
• そこで、発想を転換し、スピーカーのインピーダンスは変動することを前提に、電力増幅器の実現を目指しました。
• これは画期的なアイデアであり、功を奏しました。

アンプの出力電力特性

• アンプの駆動方式の違いを模式化(イメージ化)したグラフです。
• 横軸はスピーカーのインピーダンス、縦軸は出力電力です。
• 電圧駆動アンプはインピーダンスが増えると出力電力が低下します。(P=V²/R)
• 公称インピーダンスの4倍で6dBも低下します。
• このため低音不足と高音不足となります。スピーカーのインピーダンスは低音と高音で高くなるからです。
• 電圧駆動アンプはインピーダンス変動がなければスピーカーへ正しく電力を伝えます。
• 電流出力アンプはインピーダンスが増えると出力電力が増加します。(P=I²R)
• このため低音と高音が強調されすぎてドンシャリとなります。
• 電力アンプは出力電力が一定になるように工夫しています。低音と高音が正しく再現されます。
• 電力アンプに副作用はなく、インピーダンス変動があってもなくても正しく電力を伝えます。

電圧増幅器と電力増幅器

• ヘッドホンの公称インピーダンス例は32Ωです。
• しかし現実には周波数によってインピーダンスは変動します。
• このインピーダンス変動が電圧増幅器と電力増幅器にどのような影響を与えるでしょうか。

電圧増幅器(電圧駆動アンプ)

周波数	インピーダンス	出力電圧	出力電力
100Hz	37Ω	179mV	0.866mW
1kHz	32Ω	179mV	1mW

• 電圧増幅器は入力電圧が一定なら、負荷に影響されず出力電圧が一定です。
• そこで出力電力を計算してみます。
• 100Hzのとき0.866mWで、1kHzのとき1mWです。
• 音量は電力に比例するので、100Hzの音量は小さくなります。
• 入力電圧が一定(ボリューム固定)にも関わらず、100Hzと1kHzで音量が異なります。
• これは本来あるべき姿ではありません。
• 100Hzと1kHzでボリュームを動かしたような影響があります。

電力増幅器(電力アンプ)

周波数	インピーダンス	出力電力
100Hz	37Ω	1mW
1kHz	32Ω	1mW

• 電力増幅器は入力電圧が一定なら、負荷に影響されず出力電力が一定です。
• 100Hzのとき1mWで、1kHzのとき1mWです。
• 100Hzと1kHzで音量が同じです。
• これが本来あるべき姿です。
• 入力電圧が一定(ボリューム固定)ですから、音量は変動しません。

電力アンプの必要性

• それは「パワーアンプ＝電力増幅器＝電力アンプ」だからです。
• 従来の「電圧駆動アンプ＝電圧増幅器＝ボルテージ・アンプ」であって、厳密に言えばパワーアンプではありません。パワーとは電力です。
• 電圧駆動アンプはスピーカーのインピーダンス＝固定抵抗を前提にしており、パワーアンプの代用に過ぎません。
• しかし現実にスピーカーのインピーダンスは変動します。
• スピーカーのインピーダンスは固定抵抗ではなく可変抵抗です。
• そもそもの話ですが、なぜパワーアンプが必要とされるのでしょうか？
• なぜボルテージ・アンプではいけないのでしょうか？
• それはスピーカーの動作原理に関係しています。
• スピーカーの動作原理はモーターと同じです。
• スピーカーが空気を押したり引いたりする仕事をして音を出します。
• だから音はスピーカーの仕事量に比例します。
• 仕事量とは電気の世界では電力です。
• だからパワーアンプ(電力増幅器)が必要です。
• 必要としているのはパワーアンプであってボルテージ・アンプではありません。

スピーカーは電力基準

• スピーカーの特性は電圧(電圧駆動アンプ)を基準にして測定されている「はず」だという都市伝説があります。
• 実際には日本工業規格(JIS C5532)で入力1W、正面1mと規定されています。
• 国際規格である国際電気標準会議(IEC 60268-5)でも同様です。
• スピーカーのカタログでもdB/W/mと記述されています。
• スピーカーの音量はその動作原理からも電力に比例します。だからこそパワー(電力)アンプが必要です。
• スピーカーの発明(ベル1876年、ライスとケロッグ1925年)された約100年前から動作原理は変わっていません。
• 電圧駆動アンプの登場(1950年以降)する以前からスピーカーは存在しており、電圧駆動アンプを基準にしているわけではありません。

ヘッドホンのインピーダンス

• スピーカーのインピーダンスは周波数により変動します。
• ヘッドホンやイヤホーンのインピーダンスはどうでしょうか？
• 実際に測定してみました。
• MDR-EX51SPはカナル型イヤホーン、SE-M290はヘッドホンです。
• カナル型イヤホーンはインピーダンス変動がほとんどないため、電圧駆動アンプでも十分です。
• ヘッドホンはフルレンジ・スピーカーほどではありませんが、同じ特性を示します。
• 低音と高音でインピーダンスが高くなり、電圧駆動アンプでは低音不足、高音不足を発生します。
• ヘッドホンのインピーダンス変動に左右されないようにするには電力アンプが最適です。
• 電力アンプを利用すれば、音量が忠実に再現されます。
• ドライバユニットが大きいとインピーダンス変動が大きい傾向にあります。
• 高インピーダンスのヘッドホンほどインピーダンス変動が大きい傾向にあります。

SONY	MDR-EX51SP
形式	密閉型ダイナミック
ドライバユニット	Φ9mm
最大入力	100mW
インピーダンス	16Ω
音圧感度	100dB/mW
再生周波数帯域	6〜23000Hz

Pioneer	SE-M290
形式	密閉型ダイナミック
ドライバユニット	Φ40mm
最大入力	1000mW
インピーダンス	32Ω
出力音圧レベル	102dB/mW
再生周波数帯域	5〜25000Hz

仕様

• ヘッドホンの音圧レベルは1mW入力時の音量です。
• 100dBの音量は難聴を引き起こします。これはアンプの最大出力に1mWも必要ないことを意味します。
• ボリュームはありません。再生側のボリュームで調整します。
• 電源電圧は±3Vです。単４電池4本で動作します。

仕様

駆動形式	電力方式
最大出力電力	16Ω負荷時10mW
最大消費電流	20mA,16Ω負荷10mW時
無音時消費電流	12mA
電池寿命	35hour,アルカリ電池使用時の最小寿命
適合インピーダンス	16〜600Ω
再生周波数帯域	20〜20000Hz
サイズ	115x80x20mm
重量	120g,電池を除く
電源	単４x4本

チューニングできるアンプ

• この電力アンプにはユニークな特徴があります。
• 電力アンプの理想はどんなインピーダンス変動にも影響されないことですが、実際には全域で押さえ込めません。
• たとえば、16Ωから600Ωまでの広い変動を押さえ込めません。
• ヘッドホンのインピーダンス変動幅は公称インピーダンスの数倍です。
• そこで、公称インピーダンスにあわせてインピーダンス変動が最小になるようにチューニングする仕組みを取り入れました。
• これにより、使用するヘッドホンに最適な電力アンプになります。

電力アンプの周波数特性

• 電力アンプの「出力電圧」周波数特性です。
• 入出力特性を比較しやすいように0dBにシフトしています。
• フラットで申し分ありません。
• 負荷は32Ωです。
• 両電源設計のため、カップリング・コンデンサが不要で低音の低下がありません。
• もちろん、20kHzが周波数上限ではありません。

• 電力アンプの「出力電力」周波数特性です。
• 本領を発揮するのは、実際にヘッドホン(SE-M290)を接続したときです。
• ヘッドホンのインピーダンスが周波数によって変動しても、電力に影響せずフラットな特性です。
• 電圧駆動アンプではこのようになりません。

電圧駆動(LM4809)アンプの周波数特性

• 参考までに電圧駆動アンプ(LM4809)の「出力電圧」周波数特性です。
• 負荷は32Ωです。
• 低音がカップリングコンデンサの影響で低下しています。
• しかし実際にヘッドホンを接続したとき、電力でみるとこの周波数特性さえも維持できません。

• 電圧駆動アンプ(LM4809)の「出力電力」周波数特性です。
• 実際にヘッドホン(SE-M290)を接続したときです。
• ヘッドホンのインピーダンスが周波数によって変動することにより、電力が影響をうけます。
• 音量は電圧ではなく電力で決まります。
• 低音と高音が低下しています。

インピーダンスの影響

• 公称インピーダンス16Ω設定の実測値です。
• 最大出力10mWでほぼ一定です。
• 公称インピーダンスの4倍で1dB以内です。

• 公称インピーダンス32Ω設定の実測値です。
• 最大出力5mWでほぼ一定です。
• 公称インピーダンスの4倍で1dB以内です。

• 公称インピーダンス600Ω設定の実測値です。
• 最大出力0.3mWでほぼ一定です。
• 公称インピーダンスの4倍で1dB以内です。

歪率の計測

• 正確には全高調波歪率です。THD:Total Harmonic Distortion
• 0.5%以下です。非常に優秀です。
• 測定限界は0.05%です。正弦波の精度に依存します。
• そのため、精度の良い測定環境ではもっと低い値になります。
• 16Ω負荷です

まとめ

• 設計どおりの性能を確認できました。
• 公称インピーダンスの４倍の変動があっても電力変動は-1dB以内に抑えられています。
• 現在主流の電圧駆動アンプなら公称インピーダンスの４倍の変動で電力変動は-6dBもあることを考えれば大幅に改善されています。
• 最大出力電力も設計どおりです。
• 周波数特性も申し分ありません。
• 当初ヘッドホンのインピーダンス変動はスピーカーほどではないので、あまり期待していませんでした。
• ところがこの電力アンプを通すと明らかに違います。
• ヘッドホンは耳との距離が近いので、わずかなインピーダンス変動が影響を与えているようです。
• SN比も大きく、無音時のホワイトノイズもほとんど聞こえません。
• 再生側のノイズのほうが気になります。
• カップリング・コンデンサもないため、ポップノイズもほとんどありません。

音の良し悪しとは

• 誤解のないように念のため記述しておきます。
• 「性能の良し悪し」と「音の良し悪し」は別物です。
• どんなに性能が良くても音を良いと感じるかは個人の好み、感覚、感性で決まります。
• 音の良し悪しを相対的にも絶対的にも決めることはできません。
• 他人の評価が自分に当てはまるとも限りません。
• たとえば高音の好きな人、嫌いな人がいます。
• 耳の特性も個人によって異なります。若者は高音に敏感ですが、ご年配は高音に鈍感です。
• 「音の良し悪し」の評価は個人にゆだねられています。

遅延

• 電気の遅延と音の遅延があります。
• アンプに信号を入力してから信号が出力されるまでに遅延があります。
• スピーカーに信号を入力してから音が出力されるまでに遅延があります。
• 電気の速度は30万km/秒です。電気は1m進むのに3.33nsかかります。
• 簡単に言えば、1mのスピーカー・ケーブルで電気は3.33ns遅延します。
• 音の速度は340m/秒です。音は1m進むのに2.94msかかります。
• 音が壁に反射すると、反響を生じます。
• アナログ接続ケーブルによる遅延は人間の感覚で捉えることができないので、通常は無視できます。
• Bluetoothを経由する場合、デジタル処理による遅延が問題になることがあります。
• 遅延が大きいと映像と音に時差を生じるためです。

電圧駆動アンプ(LM4809)の遅延特性です。矩形波の立ち上がり特性です。

• 入力電圧は赤
• 出力電圧は黄
• 横軸は10us/divです。
• 入出力電圧が反転していますが、遅延は約10usです。

電力アンプ(AD00031)の遅延特性です。矩形波の立ち上がり特性です。

• 入力電圧は赤
• 出力電圧は黄
• 横軸は1us/divです。立ち上がりが速すぎるので時間を拡大しています。
• 遅延は約0.4usです。
• 電圧駆動アンプよりも25倍、応答速度が改善されています。

ヘッドホンアンプの意味

• ヘッドホンアンプ(ポータブルアンプ)に懐疑的な方もいらっしゃるでしょう。
• ヘッドホンアンプの意味を考えてみましょう。
• 携帯音楽プレーヤーは携帯性を重視するため、最小限の駆動能力を持つアンプしか搭載していません。
• アンプに使える面積や体積が限られています。
• どちらかといえば音質よりも小型化を優先しなければなりません。
• そのため、ヘッドホンやイヤホンを駆動しきれず、少なからず音質を犠牲にせざるを得ませんでした。
• そこでヘッドホンアンプの登場です。
• ヘッドホンアンプの入力インピーダンスは大きく(数10KΩ)、携帯音楽プレイヤーの音質を落とさずに受けることができます。
• そしてヘッドホンアンプはイヤホン(16Ω)やヘッドホン(32Ω)を駆動できるように設計されています。
• そのため、トータルでみると音質が改善されます。
• 正確にいうと音質劣化を最小限に抑えることができます。

ノイズの回避方法

• このアンプは帰還(フィードバック)の仕組み上、ヘッドホンやイヤホンのケーブルからノイズが入りこみます。
• シールドされていないケーブルや、左右分離されていないケーブルの場合、ホワイトノイズとして現れます。
• 左右分離されていないケーブルの場合、分離度(セパレーション、クロストーク)も悪化します。
• ステレオプラグの根元までケーブルが左右分離されているかどうかで確認できます。
• 左がRP-HJE150/Panasonicです。右がM797/TOPLANDです。
• RP-HJE150はほとんどホワイトノイズが聞こえません。M797はホワイトノイズが聞こえます。
• 個人差はありますが、その差は歴然です。
• ケーブルが左右分離されていてもシールドされていないかもしれません。リッツ線もあるようです。
• ホワイトノイズのあるMDR-EX51/SONYを分解してみました。リッツ線と呼ばれるもので、シールド効果はありません。
• ノイズが乗りやすいので長いケーブルもお勧めしません。
• ヘッドホンやイヤホンのシールド特性が悪いとノイズとして現れます。
• 素直でわかりやすいアンプともいえます。

お勧めしないイヤホン

• 激安で販売されています。
• 残念ながら、個体差があるようで、左右バランスの崩れているものがあります。
• ２、３個買って選別するとよいでしょう。
• またインピーダンス表示が誤っています。正しくは16Ωです
• 実際に左右のインピーダンスを計測してみました。
• 15kHz以上はもう聞こえないので、周波数帯域18kHzもあれば十分です。
• 左右バランスが崩れてきたりと何かおかしいので、分離度(セパレーション)を計測してみました。
• 数値を掲載しませんが、かなりひどい数値でした。左右の音が混ざり合っています。
• 原因を探ってみると、ケーブルが左右分離されていません。内部のシールドも疑問です。

お勧めのヘッドホン

Shure	SRH840
形式	密閉型ダイナミック
ドライバユニット	Φ40mm
最大入力	1000mW
インピーダンス	44Ω
出力音圧レベル	102dB/mW
再生周波数帯域	5〜25000Hz

• SHUREのSRH840です。友人宅で視聴させてもらいました。
• 印象としてはクリアで低音の迫力があります。
• 密閉性が高く周囲の音が遮断されます。
• 公称インピーダンスが44Ωと不思議な値です。

お勧めのヘッドホン２

SONY	MDR-XD150
形式	密閉型ダイナミック
ドライバユニット	Φ40mm
最大入力	1000mW
インピーダンス	32Ω
出力音圧レベル	100dB/mW
再生周波数帯域	12〜22000Hz

• SONYのMDR-XD150です。発売日に入手しました。
• 耳の立ち具合にあわせてスピーカーが傾いています。
• そのため装着感がよく長時間使用しても疲れません。
• 左右ケーブルが分離されています。
• 低音の迫力と高音のクリア感があります。

興味のある方へ

• さまざまな方から問い合わせを受けています。
• 製品化してくれないか、製品化したいとの依頼もあります。
• 眉唾ものではないかと疑う方もいらっしゃいます。
• 今までの常識を正すことになるので、批判する方もいます。
• 疑問を抱くのは当然です。夢の電力アンプだからです。
• パワーアンプの再発明といってもよいでしょう。
• 発明とは後でわかってしまえば、たったそんなことかというのがほとんどです。
• ニュートンの生まれる何万年も前からりんごは木から落ちていました。
• 誰もが検証できるように実測値を掲載しています。
• 理論の裏づけ、データの裏づけがあります。
• 理屈なしに、実際に聞いていただいた方はみな驚いています。
• 有償になりますが、技術供与などの相談に乗ります。